DE4218247A1

DE4218247A1 - Vorrichtung zur materialabtragenden bearbeitung eines eine ebene oberflaeche aufweisenden werkstuecks

Info

Publication number: DE4218247A1
Application number: DE4218247A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl Ing Wissner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-06-08
Filing date: 1992-06-03
Publication date: 1992-12-10
Anticipated expiration: 2012-06-04
Also published as: DE4218247C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur materialabtragenden Bearbeitung eines eine ebene Oberfläche aufweisenden Werkstücks mit einem Werkzeugkopf und mit einem eine rotationssymmetrisch um den Werkzeugkopf angeordnete Innenoberfläche aufweisenden Abtragauffanggehäuse, wobei die Innenoberfläche des Abtragauffanggehäuses einen bis auf eine zentrale Öffnung an der der Oberfläche des Werkstücks zugewandten Unterseite des Abtragauffanggehäuses geschlossenen Innenkonus ausbildet und wobei eine mit einer Absaugapparatur verbundene Absaugleitung in das Abtragauffanggehäuse einmündet. Bei materialabtragenden Bearbeitungsvorgängen wie dem Zerspanen, aber auch beispielsweise dem Verdampfen mit einem Laser fallen große Mengen von abgetragenem Material an, die oft nur unter großem Aufwand von dem Werkstück zu entfernen sind. Dies gilt besonders dann, wenn das Werkstück aus einem Kunststoffmaterial besteht, bei dem sich entstehende Späne statisch aufladen.

Eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art ist aus der CH-PS 5 96 946 bekannt. Das Abtragauffanggehäuse umgibt den Werkzeugkopf, der ein Bohrfutter und einen Bohrer einer Bohrmaschine aufweist, und ist in Bohrrichtung federnd an der Bohrmaschine gelagert. In dem Abtragauffanggehäuse ist eine kegelstumpfförmige Absaugkammer mit einem Öffnungswinkel von etwa 90° und mit der zentralen Öffnung für den Austritt des Bohrers an der Unterseite des Abtragauffanggehäuses vorgesehen. Die Unterseite ist zum unmittelbaren Aufsetzen auf das Werkstück ausgebildet. In die Absaugkammer mündet eine direkt auf den Bohrer in der zentralen Öffnung gerichtete Druckmitteldüse ein. Der Düse gegenüber ist die Öffnung der Absaugleitung vorgesehen, die ebenfalls auf den Bohrer in der zentralen Öffnung gerichtet ist. Hieraus resultiert ein die Absaugkammer im wesentlichen radial durchsetzender Absaugstrom, der in der Projektion senkrecht auf die Oberfläche des Werkstücks in gerader Linie von der Druckmitteldüse zur zentralen Öffnung und von dort zur Öffnung der Absaugleitung verläuft. Die anfallenden Bohrspäne werden von dem Absaugstrom aber nur dann sicher erfaßt, wenn dessen Strömung sehr groß ist, wofür eine großzügig dimensionierte Absaugapparatur notwendig ist. Weiterhin ergeben sich Probleme bei einem erheblichen Anfall von Bohrspänen. In diesem Fall droht ein Verstopfen der Absaugkammer, wie es im nächsten Absatz näher beschrieben ist, vor allem dort, wo der Innendurchmesser der Absaugkammer nahe der zentralen Öffnung gering ist.

Aus der CH-PS 5 96 946 ist noch eine weitere Vorrichtung zur materialabtragenden Bearbeitung eines eine ebene Oberfläche aufweisenden Werkstücks mit einem Werkzeugkopf und einem eine rotationssymmetrisch um den Werkzeugkopf angeordnete Innenoberfläche aufweisenden Abtragauffanggehäuse bekannt. Hier ist das Abtragauffanggehäuse zylindermantelabschnittförmig ausgebildet. Der unterste Abschnitt des Abtragauffanggehäuses besteht aus einer Wandung, die aus einer Vielzahl von Borsten aufgebaut ist. Diese Borsten stehen bei der Bearbeitung des Werkstücks auf diesem auf. Das Abtragauffanggehäuse ist wiederum federnd gegenüber dem Werkzeugkopf gelagert, so daß der Werkzeugkopf mit einem spanabnehmenden Werkzeug bei auf dem Werkstück aufsitzenden Abtragauffanggehäuse weiter auf das Werkstück zu verfahrbar ist. Bei der zerspanenden Bearbeitung des Werkstücks treten die anfallenden Späne durch dessen relativ große untere Öffnung in das Abtragauffanggehäuse ein. Aus dem Abtragauffanggehäuse werden die Späne mittels einer Absaugleitung abgesaugt, die radial in das Abtragauffanggehäuse einmündet. Häufig verfangen sich die von dem Werkzeug abfliegenden Späne in den Borsten, so daß zu ihrem Absaugen sehr hohe Saugleistungen notwendig sind. Doch selbst bei Saugleistungen von einigen kW erfolgt die Entfernung der Späne nur mit einem geringen Wirkungsgrad. Während bei metallischen Spänen noch ein Wirkungsgrad von bis zu 80% zu erreichen ist, verbleiben bei Spänen aus sich statisch aufladendem Material deutlich mehr als 50% auf dem Werkstück oder an der Vorrichtung. Hinzu kommt die Gefahr, daß das Abtragauffanggehäuse mit Spänen verstopft. In diesem Zusammenhang treten besonders zwei Problemfälle auf. Zum einen kann es passieren, daß viele heiße, und daher zum Verklumpen neigende Kunststoffspäne zugleich in das Auffanggehäuse gelangen, zum anderen werden auch kleinere Stücke des Werkstücks, wie sie beim Ausfräsen von Figuren aus einer Kunststoffplatte auftreten können, in das Auffanggehäuse eingesaugt. Nachteilig ist bei der bekannten Vorrichtung weiterhin, daß Absaugapparaturen, die eine Saugleistung von einigen kW aufweisen, aufwendige und kostenintensive Drei-Phasen-Geräte sind. Auf die hohe Saugleistung kann aber bei der bekannten Vorrichtung nicht verzichtet werden, da nur so eine wenigstens einen erheblichen Anteil der anfallenden Späne mitreißende Strömung innerhalb des Absauggehäuses hervorgerufen werden kann. Letztlich darf nicht übersehen werden, daß bei der bekannten Vorrichtung das Anbringen eines Sichtfensters zur direkten Beobachtung der Bearbeitung des Werkstücks sinnlos ist. Das Sichtfenster würde durch die in der Strömung im Inneren des Abtragauffanggehäuses befindlichen Späne binnen kürzester Zeit mattiert.

Aus der DE-OS 36 11 129 ist eine Vorrichtung bekannt, die bis auf die Borsten dem im voranstehenden Absatz beschriebenen Vorrichtung entspricht. Auch dort mündet die Absaugleitung radial in das Abtragauffanggehäuse ein. Das Abtragauffanggehäuse ist im wesentlichen aus zwei übereinander geordneten zylindrischen Rohrabschnitten aufgebaut. Der Innendurchmesser des oberen Rohrabschnitts entspricht dem Außendurchmesser des Werkzeugkopfes, der damit das Abtragauffanggehäuse nach oben abdichtet. Der Innendurchmesser des unteren Rohrabschnitts ist hingegen deutlich geringer und beträgt etwa das Anderthalbfache des maximalen Außendurchmessers eines in ihn hineinragenden Spannfutters für ein spanabnehmendes Werkzeug. In der Unterkante des unteren Rohrabschnitts ist eine ringförmige Ausnehmung vorgesehen, die mit einer Zuführleitung für Druckluft verbunden ist. Unterhalb der Ausnehmung bildet sich so ein Druckkissen aus, auf dem der untere Rohrabschnitt über dem Werkstück schwebt. Gleichzeitig werden freigefräßte kleinere Abschnitte des Werkstücks, zumindest solange sie nicht kleiner sind als der Innendurchmesser des unteren Rohrabschnitts, durch die Druckluft in vorteilhafter Weise nach unten gedrückt. Auch bei dieser Vorrichtung treten aber die geschilderten Verstopfungsprobleme in dem Abtragauffanggehäuse auf.

Grundsätzlich ist es bei Vorrichtungen zur zerspanenden Bearbeitung eines eine ebene Oberfläche aufweisenden Werkstücks üblich, vorhandene Spanauffanggehäuse nicht nur während der Bearbeitung des Werkstücks in x- und y-Richtung gemeinsam mit dem Werkzeugkopf zu verfahren, sondern auch eine starre Kopplung der Bewegungen in der z-Achse vorzusehen. So ist ein Wechsel von Werkzeugen nur unter großem Aufwand möglich. Bei einem automatisierten Werkzeugwechsel innerhalb des Spanauffanggehäuses besteht zudem die Gefahr, die Werkzeugablage durch aus dem Spanauffanggehäuse herausfallende Späne massiv zu verunreinigen.

Häufig erscheint eine lokale Beseitigung der anfallenden Späne gänzlich unmöglich, so daß die einzig praktikable Lösung in der vollständigen Kapselung der gesamten Vorrichtung in einem ausgedehnten Abtragauffanggehäuse gesehen wird.

Beim Schneiden eines Werkstücks mit einem Laser sind immer zwei Gesichtspunkte zu beachten. Zum einen verschlechtert zuvor mit dem Laser verdampftes und dann auf die Oberfläche des Werkstücks niederschlagendes Material die Qualität der Oberfläche erheblich. Zum anderen führt das verdampfte Material zu Leistungsverlusten, da es das Licht des Lasers streut und auch eine Defokussierung des Lasers bewirken kann. Dies gilt sowohl für das Material in dampfförmigem Zustand als auch insbesondere wenn es sich auf einer Linse des Lasers niederschlägt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, die einen optimalen Wirkungsgrad bei der Beseitigung des abgetragenen Materials aufweist und auch bei geringeren Leistungen der Absaugapparatur nicht zu Verstopfungen neigt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Innenkonus des Abtragauffanggehäuses einem Öffnungswinkel zwischen 120 und 175° aufweist und daß die Absaugleitung tangential in das Abtragauffanggehäuse einmündet. Durch die tangentiale Einmündung der Absaugleitung wird in dem Abtragauffanggehäuse eine Wirbelströmung hervorgerufen. Die in der Wirbelströmung auftretenden Zentrifugalkräfte führen dazu, daß sich das abgetragene Material von der zentralen Öffnung in Spiralbahnen entfernt und schließlich die Absaugleitung erreicht. Dabei spielt der große Öffnungswinkel des Innenkonus eine entscheidende Rolle. Zum einen hält er die von dem abgetragenen Material durch die Zentrifugalkraft zu überwindende Steigung auf der Innenoberfläche der Abtragauffanggehäuses in Grenzen. Zum anderen beugt er durch die rasche Querschnittserweiterung des Innenkonus einem Verstopfen des Abtragauffanggehäuses vor. So zeigt die neue Vorrichtung bei der Beseitigung gerade auch von Spänen aus sich statisch aufladendem Material überraschend hohe Wirkungsgrade, die diejenigen aus dem Stand der Technik durchaus um 100% überschreiten können. Es versteht sich, daß beim Einsatz der neuen Vorrichtung das Abtragauffanggehäuse in einem geringen Abstand oberhalb der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks zu führen ist. Damit wird nicht nur ein Verkratzen der Oberfläche der Werkstücks verhindert, sondern auch sichergestellt, daß immer in hinreichendem Umfang Luft von außen in das Abtragauffanggehäuse nachströmen kann. Wenn die Wandstärke des Abtragauffanggehäuses im Bereich der Öffnung für das Werkzeug gering ist, wobei die zentrale Öffnung die tiefste Stelle des Abtragauffanggehäuses markiert, ist bei noch gutem Wirkungsgrad ein Abstand zwischen dem Abtragauffanggehäuse und der Oberfläche des Werkstücks von bis zu 5 mm realisierbar. Mindestens sollte ein Abstand von 0,1 mm eingehalten werden. Das Eindringen von Abschnitten des Werkstücks in das Abtragauffanggehäuse ist durch die verhältnismäßig kleine zentrale Öffnung unmöglich. Auch ein Verstopfen des Abtragauffanggehäuses durch große Mengen gleichzeitig anfallender Späne tritt nicht auf. In der Wirbelströmung nimmt die räumliche Konzentration des abgetragenen Materials mit wachsendem Abstand zu der Symmetrieachse des Abtragauffanggehäuses kontinuierlich ab, so daß das abgetragene Material problemlos von der Absaugleitung erfaßt und abgeführt werden kann. Von großer Bedeutung ist weiterhin die Tatsache, daß bei der neuen Vorrichtung Absaugapparaturen mit vergleichsweise geringen Saugleistungen ausreichen, weil durch den Verdünnungseffekt in der Wirbelströmung niemals besonders hohe Konzentrationen an abgetragenem Material anfallen. Die Absaugleistung braucht in der Regel nur einige hundert Watt zu betragen, während der Stand der Technik durch Absaugleistungen von einigen kW gekennzeichnet ist. Um den Aufbau der Wirbelströmung und die Verdünnung des abgetragenen Materials mit wachsendem Abstand zur Symmetrieachse des Abtragauffanggehäuses sicher nutzen zu können, sollte der Innendurchmesser des Abtragauffanggehäuses auf Höhe des Werkzeugkopfes mindestens doppelt so groß wie der maximale Außendurchmesser des Werkzeugkopfes innerhalb des Abtragauffanggehäuses sein.

Der Werkzeugkopf kann eine in einem Schaft gelagerte, rotierende Spindel aufweisen, die in einem Spannfutter ein zerspanendes Werkzeug trägt. Bei einer zerspanenden Bearbeitung eines Werkstücks mit einem rotierenden Werkzeug anfallende Späne fliegen zwar im wesentlichen tangential von dem rotierenden Werkzeug ab, aber ihre Bewegung weist auch eine senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks verlaufende Komponente auf. Diese Komponente macht es möglich, daß nahezu alle anfallenden Späne in das Abtragauffanggehäuse gelangen und kein abgetragenes Material seitlich, unterhalb des Abtragauffanggehäuses entweicht. Hierbei reicht eine zentrale Öffnung mit einem Durchmesser, der etwa zwei- bis dreimal so groß ist wie der Durchmesser des Werkzeugs, zum Eintritt fast aller Späne in das Abtragauffanggehäuse aus. Die Späne behalten auch innerhalb des Abtragauffanggehäuses nämlich ihre natürliche Bewegungsrichtung im flachen Winkel nach oben weitgehend bei. Zudem ruft bereits das in dem Abtragauffanggehäuse rotierende Spannfutter eine Wirbelströmung hervor, die sich zum Transport der Späne zu der Absaugleitung nutzen läßt. Auch ohne jegliche Saugleistung treten deshalb Späne durch die Öffnung der Absaugleitung aus dem Abtragauffanggehäuse heraus. Beim tatsächlichen, kontinuierlichen Betrieb der neuen Vorrichtung ist selbstverständlich eine Absaugapparatur mit Absaugleistung vorzusehen.

Der Werkzeugkopf kann aber auch einen auf die Oberfläche des Werkstücks fokussierten Laser aufweisen. Die für die neue Vorrichtung charakteristische Wirbelströmung ist auch für das effektive Absaugen von mit einem Laser verdampften Material in vorteilhafter Weise geeignet. Durch die zentrale Öffnung wird das verdampfte Material in das Abtragauffanggehäuse aufgenommen, ohne daß es sich seitlich auf dem Werkstück niederschlagen könnte. Die Wirbelströmung stellt gleichzeitig einen freien Zugang des Lichts des Laser zu der Oberfläche des Werkstücks sicher und hält das verdampfte Material von den Linsen des Lasers fern, indem das verdampfte Material innerhalb des Abtragauffanggehäuses in Spiralbahnen seitlich nach oben von der zentralen Öffnung weggeführt wird.

Der Öffnungswinkel des Innenkonus kann etwa 155° betragen. Bei einem Öffnungswinkel des Innenkonus von 150 bis 160° ist die Unterseite des Abtragauffanggehäuses insbesondere gut an den natürlichen Aufsteigwinkel von von einem rotierenden Werkzeug abgetragenen Spänen gegenüber der Oberfläche des bearbeiteten Werkstücks angepaßt. Das abgetragene Material wird so durch die Innenoberfläche des Abtragauffanggehäuses direkt bis zu der Absaugleitung geführt.

Die Innenoberfläche des Abtragauffanggehäuses kann oberhalb des Innenkonus in eine umlaufende Prallfläche übergehen, die vorteilhaft gegenüber der Mantellinie des Innenkonus einen Neigungswinkel kleiner 90° aufweist. Eine derart oberhalb des Innenkonus angeordnete Prallfläche führt dazu, daß schnelle Späne durch die seitlichen Wandungen des Abtragauffanggehäuses nach unten auf die von der Innenoberfläche im Bereich des Innenkonus zurück reflektiert werden. Alle Späne befinden sich damit auf der Führungsfläche des Abtragauffanggehäuses, auf der sie sich radial von der Spindelachse entfernen und damit unter Verringerung ihrer räumlichen Konzentration bis zu der Absaugleitung aufsteigen.

Die Innenoberfläche des Abtragauffanggehäuses kann oberhalb des Innenkonus gekrümmt ausgebildet sein. Auf diese Weise lassen sich tote Ecken bezüglich der in dem Abtragauffanggehäuse umlaufenden Wirbelströmung vermeiden. Alles abgetragene Material verbleibt sicher im Bereich der Wirbelströmung, bis sie mittels der Absaugleitung aus dem Abtragauffanggehäuse abgeführt werden.

Die Öffnung der Absaugleitung kann im oberen Bereich des Innenkonus beginnend vorgesehen sein. Würde kein abgetragenes Material aus dem Abtragauffanggehäuse entfernt, würde es sich im oberen Bereich des Innenkonus ansammeln. Hier oder vielleicht etwas darüber liegt der maximale Radius des Abtragauffanggehäuses vor, in dessen Richtung die durch die Wirbelströmung hervorgerufene Zentrifugalkraft wirkt. Deshalb empfiehlt sich, gerade hier die Öffnung der Absaugleitung anzuordnen.

Die Absaugleitung kann in das Abtragauffanggehäuse hineinragen. Dies wirkt sich förderlich auf die Ausbildung der Wirbelströmung aus. Weiterhin werden die Späne auf ihrer Spiralbahn wie von selbst in die Absaugleitung hineingeführt. So wird die Saugleistung der mit der Absaugleitung verbundenen Saugapparatur noch effektiver ausgenutzt.

Der maximale Innendurchmesser des Abtragauffanggehäuses kann mindestens doppelt so groß sein, wie seine maximale Innenhöhe. Auf diese Weise läßt sich trotz hinreichendem Innenvolumen und damit hinreichender Pufferwirkung gegenüber schwankendem Anfall des abgetragenen Materials eine geringe Bauhöhe des Abtragauffanggehäuses erreichen. Geringe Bauhöhen sind im Maschinenbau grundsätzlich anzustreben. Sie wirken sich stabilitätssteigernd und aufwand- sowie kostensenkend aus.

Das Abtragauffanggehäuse kann an seiner Oberseite ein Sichtfenster aufweisen. Bei der neuen Vorrichtung ist es erstmals möglich, an dem Abtragauffanggehäuse ein Sichtfenster zur Beobachtung der Bearbeitung des Werkstücks vorzusehen. Die Anpassung der Innenoberfläche des Abtragauffanggehäuses an die natürlichen Bewegungsrichtungen anfallender Späne und die Anordnung der Prallfläche bzw. die gezielte Führung von verdampften Material führen dazu, daß nur äußerst selten abgetragenes Material an die Oberseite des Abtragauffanggehäuses gelangt. Ein hier angebrachtes Sichtfenster aus beispielsweise Plexiglas weist eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer bis zu seiner Mattierung auf. Das Abtragauffanggehäuse an seiner Oberfläche offen zu belassen ist nicht sinnvoll möglich, da hierdurch die Wirbelströmung im Inneren des Abtragauffanggehäuses negativ beeinträchtigt und auch die Saugleistung der Saugapparatur unnötigerweise geschwächt würde.

Die Oberflächen des Abtragauffanggehäuses können metallisch leitend und geerdet sein. Der statischen Aufladung der anfallenden Späne bei der Bearbeitung von Werkstücken aus Kunststoff läßt sich am ehesten durch den Kontakt mit metallisch leitenden, geerdeten Flächen begegnen. Durch leitende Oberflächen am Abtragauffanggehäuses wird die Haftwirkung anfallender Späne an dem Abtragauffanggehäuse durch Ausgleich der statischen Ladungen drastisch reduziert.

Der Werkzeugkopf kann in Richtung senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks unabhängig von dem Abtragauffanggehäuse verfahrbar sein. In der Regel reicht es völlig aus, wenn das Abtragauffanggehäuse mit festem, geringem Abstand oberhalb der Oberfläche des Werkstücks in x- und y-Richtung verfahrbar ist und keine Bewegungen des Werkzeugkopfes in Richtung der z-Achse senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks mitmacht. Überraschenderweise stellt sich sogar beim Auseinanderfahren von Werkzeugkopf und Abtragauffanggehäuse ein Reinigungseffekt für den Werkzeugkopf und das Werkzeug ein. Der Durchmesser des Werkzeugkopfes nimmt üblicherweise zum Werkstück hin ab, so daß sich beim Auseinanderfahren von Schaft und Spannauffanggehäuse ein wachsender Spalt an der Oberkante des Spannauffanggehäuses auftut. Durch diesen Spalt tritt dann der wesentliche Anteil der von der Absaugapparatur angesaugten Luft hindurch. Die entstehende Luftströmung läuft an dem Werkzeugkopf entlang und bewirkt dessen Reinigung von anhaftenden abgetragenen Materialien. Ein dermaßen gereinigtes Werkzeug ist besonders günstig in einem automatischen Werkzeugwechsler auszutauschen.

Im Bereich der Öffnung kann eine das Werkzeug seitlich mit Kühlmedium beaufschlagende Zuführleitung vorgesehen sein, wobei an der Außenseite des Abtragauffanggehäuses eine die zentrale Öffnung ringförmig umgebende Ausnehmung angeordnet ist. Die äußere Begrenzung der Ausnehmung weist hier vorteilhaft dasselbe Höhenniveau oberhalb der Oberfläche des Werkstücks auf wie die zentrale Öffnung. Bei einigen Bearbeitungsvorgängen ist es sinnvoll, das Werkzeug mit Kühlmedium zu beaufschlagen. Als Kühlmedium sind hierbei Mischungen von Druckluft mit Alkoholen und/oder Ölen besonders gut geeignet. Die Anordnung einer das Werkzeug im Bereich der Öffnung seitlich mit Kühlmedium beaufschlagenden Zuführleitung in Verbindung mit der die Öffnung ringförmig umgebenden Ausnehmung führt überraschenderweise zu der Ausbildung eines Druckkissens unterhalb der Ausnehmung. Hierdurch werden kleinere Abschnitte des Werkstücks, die beispielsweise beim Dekopieren von Formen losgefräst wurden, sicher auf die Unterlage des Werkstücks heruntergedrückt, so daß sie ihre ursprüngliche definierte Lage beibehalten.

Die Zuführleitung kann tangential in die Öffnung einmünden. Bei einer tangential in die Öffnung einmündenden Zuführleitung kann zugleich das durch die Zuführleitung herangeführte Kühlmedium zum Aufbau der Wirbelströmung innerhalb des Abtragauffanggehäuses genutzt werden. Auch dies trägt letztlich dazu bei, daß nur eine geringe Saugleistung der Absaugapparatur nötig ist. Bei Berücksichtigung aller Möglichkeiten und guter Anpassung des Absauggehäuses läßt sich auch bei Spänen aus sich statisch aufladendem Material ein Wirkungsgrad bei der Entfernung des abgetragenen Materials von über 95% erzielen. Die tangential in die zentrale Öffnung einmündende Öffnung ist aber auch zum Kühlen des Werkstücks in der Umgebung des Fokus eines Lasers beim Schneiden mit dem Laser geeignet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung im Längsschnitt,

Fig. 2 die Vorrichtung gemäß Fig. 1 im Querschnitt,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung im Längsschnitt und

Fig. 4 eine Detailansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 3 ebenfalls im Längsschnitt.

Die Vorrichtung 1 zur Zerspanung eines Werkstücks 2 weist eine in einem Schaft 3 gelagerte rotierende Spindel 4 und ein Abtragauffanggehäuse 5 auf. Die Spindel 4 trägt in einem Spannfutter 6 ein Werkzeug 7. Der Schaft 3, die Spindel 4, das Spannfutter 6 und das Werkzeug 7 bilden einen Werkzeugkopf (3, 4, 6, 7). Mit dem Werkzeug 7 erfolgt die eigentliche Bearbeitung des Werkstücks 2. Beispielsweise kann das Werkzeug 7 ein Fräser sein, mit dem aus einer ebenen Kunststoffplatte als Werkstück 2 Formen dekopiert werden. Grundsätzlich ist das Werkzeug 7 drehfest mit der Spindel 4, die um eine Spindelachse 8 rotiert, verbunden. Ein Austauschen des Werkzeugs 7 gegen ein anderes Werkzeug ist durch Lösen von Klemmbacken 9 an dem Spannfutter 6 möglich. Das Abtragauffanggehäuse 5 weist eine rotationssymmetrisch um die Spindelachse 8 angeordnete Innenoberfläche 10 auf. Die Innenoberfläche 10 bildet an der der Oberfläche 11 des Werkstücks 2 zugewandten Unterseite des Abtragauffanggehäuses 5 einen Innenkonus 12 aus. Der Innenkonus 12 weist einen Öffnungswinkel 13 von ca. 155° auf. Oberhalb des Innenkonus 12 geht die Innenoberfläche 10 unter Ausbildung eines Übergangsbereichs 14 in eine umlaufende Prallfläche 15 über.

Die Prallfläche 15 weist gegenüber der Mantellinie des Innenkonus 12, die hier mit der den Innenkonus 12 darstellenden Linie zusammenfällt, einen Neigungswinkel kleiner als 90° auf. In dem Übergangsbereich 14 zwischen dem Innenkonus 12 und der Prallfläche 15 ist die Innenoberfläche 10 des Abtragauffanggehäuses 5 gekrümmt ausgebildet. Eine Absaugleitung 17 mündet tangential in das Abtragauffanggehäuse 5 ein. Ihre Öffnung 18 ist hierbei im Übergangsbereich 14 sowie im unteren Bereich der Prallfläche 15 vorgesehen. Die Oberseite des Abtragauffanggehäuses 5 wird von einem Sichtfenster 19 gebildet. Das Sichtfenster 19 ist hier aus Plexiglas gefertigt, es könnte aber auch aus anderen, durchsichtigen Materialien hergestellt sein. In der Mitte des Sichtfensters 19 ist eine Durchtrittsöffnung 20 für den Schaft 3 vorgesehen. Der Innendurchmesser der Durchtrittsöffnung 20 ist hierbei genau auf den Außendurchmesser des Schaftes 3 abgestimmt, so daß die Durchtrittsöffnung 20 nahezu vollständig durch den Schaft 3 verschlossen wird. Neben der Öffnung 18 der Absaugleitung 17, die mit einer hier nicht dargestellten Absaugapparatur verbunden ist, weist das Abtragauffanggehäuse als einzige echte Verbindung zur Umgebung an der Spitze des Innenkonus 12 eine zentrale Öffnung 21 für das Werkzeug 7 auf. Der Durchmesser der zentralen Öffnung 21 beträgt hier etwa das zwei- bis dreifache des Durchmessers des Werkzeugs 7. Dort wo das Abtragauffanggehäuse die zentrale Öffnung 21 begrenzt, weist es seine maximale Ausrichtung in Richtung der Spindelachse 8 und nur eine geringe Wandstärke auf. Der Innendurchmesser 22 des Abtragauffanggehäuses 5 ist hier im Bereich des Spannfutters 6 mindestens dreimal so groß wie der maximale Außendurchmesser 23 des Spannfutters 6. Außerdem weist das Abtragauffanggehäuse eine Innenhöhe 35 auf, die mehr als dreimal so groß ist wie das Maximum des Innendurchmessers 22.

Im folgenden sei die Wirkungsweise der neuen Vorrichtung beschrieben. Das Werkzeug 7 rotiert in Richtung eines Drehpfeils 24 um die Spindelachse 8. Hierbei trägt es von dem Werkstück 2 Späne ab. Die Späne weisen, ohne daß irgendein Abtragauffanggehäuse vorhanden ist, eine tangentiale Bewegungsrichtung von dem Werkzeug 7 weg auf, die durch einen Steigungswinkel von etwa 12 bis 13° gegenüber der Oberfläche 11 des Werkstücks 2 gekennzeichnet ist. An diesen Steigungswinkel ist der Öffnungswinkel 13 des Innenkonus 12 angepaßt. Wenn die zentrale Öffnung 21 des Abtragauffanggehäuses 5 hinreichend nahe an die Oberfläche 11 des Werkstücks 2 herangebracht wird, können die mit dem Werkzeug 7 von dem Werkstück 2 abgetragenen Späne in das Abtragauffanggehäuse gelangen. Überraschenderweise treten sogar über 90% aller anfallenden Späne durch die zentrale Öffnung 21 in das Abtragauffanggehäuse hinein, selbst wenn zwischen der Oberfläche 11 des Werkstücks 2 und dem Abtragauffanggehäuse ein Abstand bis zu 5 mm eingehalten wird. Als minimaler Abstand sind demgegenüber 0,1 mm anzusehen, damit immer in dem notwendigen Umfang Luft in das Abtragauffanggehäuse nachströmen kann. Im Inneren des Abtragauffanggehäuses bewegen sich die Späne entlang der Innenoberfläche 10 auf den Übergangsbereich 14 und die Prallfläche 15 zu. Da im Abtragauffanggehäuses 5 eine Wirbelströmung um die Spindelachse 8 ausgebildet ist, wird die ursprünglich nahezu radial von der Spindelachse 8 wegführende Bewegung der Späne in eine spiralförmige Bewegung um die Spindelachse 8 überführt. Diese Bewegung endet letztlich in der Öffnung 18 der Absaugleitung 17. Die Existenz der Wirbelströmung im Inneren des Abtragauffanggehäuses 5 ist schon allein auf die rotierende Spindel 4 mit dem Spannfutter 6 zurückzuführen. Sie wird durch die von der Absaugleitung 17 tangential aus dem Abtragauffanggehäuse angesaugte Luft weiter gefördert. Die angesaugte Luft weist zudem auch eine Radialkomponente in ihrer Bewegungsrichtung auf, da die zentrale Öffnung 21 die einzige Nachschubquelle für ansaugbare Luft in das Innere des Abtragauffanggehäuses 5 darstellt. Für die Saugleistung der hier nicht dargestellten Absaugapparatur, an die die Absaugleitung 17 angeschlossen ist, genügen einige hundert Watt. Dies reicht zur Aufrechterhaltung der Wirbelströmung und zum Abführen der Späne völlig aus. Ein Verstopfen des Abtragauffanggehäuses 5 oder der Absaugleitung 17 durch eine plötzlich anfallende, große Menge von Spänen wird vorwiegend dadurch vermieden, daß die räumliche Dichte der Späne mit ihrem Abstand zur Spindelachse 8 sehr schnell abnimmt. Das Abtragauffanggehäuse der neuen Vorrichtung weist einen im Vergleich zum Stand der Technik relativ großen Innendurchmesser auf, so daß dieser Effekt ausgiebig genutzt wird. Der große Innendurchmesser des Abtragauffanggehäuses 5 resultiert außerdem in eine Pufferwirkung für plötzlich anfallende, große Mengen von Spänen. Die Späne können einige Male in dem Abtragauffanggehäuse 5 um die Spindelachse 8 umlaufen ohne hierbei zu verklumpen, bevor sie die Öffnung 18 der Absaugleitung 17 erreichen. Wesentlich ist hierbei, daß die Späne ständig in Bewegung verbleiben und hiermit der Tendenz zum Verklumpen von vornherein entgegengewirkt wird. Der relativ große Innendurchmesser 22 des Abtragauffanggehäuses 5 erlaubt eine geringe Bauhöhe des Abtragauffanggehäuses 5 und damit letztlich der gesamten Vorrichtung. Hiermit sind alle allgemein im Zusammenhang mit geringen Bauhöhen aus dem Maschinenbau bekannten Vorteile verbunden. Hinzu kommt die Möglichkeit, durch das Sichtfenster 19 an der Oberseite des Abtragauffanggehäuses 5 die Bearbeitung des Werkstücks 2 durch das Werkzeug 7 direkt zu beobachten. Aus dem Stand der Technik sind bislang keine effektiv zu nutzenden Sichtfenster bekannt. Vielmehr ist dort nach kurzer Zeit ein Blindwerden vorhandener Sichtfenster zu beobachten. Dies ist auf auf die Sichtfenster aufprallende Späne zurückzuführen. Dem wirkt bei der neuen Vorrichtung die Anordnung der Prallfläche 15 entgegen. Ihr Neigungswinkel 16 gegenüber der Mantellinie des Innenkonus 12 sorgt dafür, daß alle aufprallenden Späne nach unten reflektiert werden und nicht zu dem oben angeordneten Sichtfenster 19 gelangen können. Die Ausformung des Übergangsbereichs 14 zwischen dem Innenkonus 12 und der Prallfläche 15 verhindert die Ausbildung eines toten Bereichs, in dem die im Inneren des Abtragauffanggehäuses 5 vorliegende Wirbelströmung nicht zum Tragen kommt. Die ohne genaue Kenntnis der Zusammenhänge widersinnig klein erscheinende zentrale Öffnung 21 läßt zwar nahezu alle anfallenden Späne in das Abtragauffanggehäuse hineintreten, verhindert aber, daß losgefräste Bereiche des Werkstücks 2 ungewollt von der Absaugapparatur angesaugt werden und zu einem Verstopfen des Abtragauffanggehäuses führen. Äußerst erstaunlich ist in jedem Fall der enorme Wirkungsgrad der neuen Vorrichtung. Selbst beim Zerspanen von zur statischen Aufladung neigendem Material werden über 90% der anfallenden Späne abgesaugt. Um dieses Ziel sicher zu erreichen, ist bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 die Innenoberfläche 10 des Abtragauffanggehäuses 5 elektrisch leitend ausgebildet und geerdet.

Fig. 2 zeigt die Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 im Querschnitt durch die Ebene des Innendurchmessers 22 gemäß Fig. 1. Durch Pfeile 25 ist die im Inneren des Abtragauffanggehäuses 5 vorliegende, umlaufende Wirbelströmung angedeutet. Die Wirbelströmung wird einerseits durch das mit der Spindel rotierende Spannfutter 6 mit seinen vorstehenden Klemmbacken 9 und andererseits durch die von der Absaugleitung 17 angesaugte Luft hervorgerufen. Die von der Wirbelströmung mitgeführten Späne landen letztlich immer an der Öffnung 18 der Absaugleitung 17. Die Saugleistung der hier nicht dargestellten Saugapparatur, mit der die Absaugleitung 17 verbunden ist, muß nicht die enormen Größen aufweisen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Vielmehr reicht eine Saugleistung von einigen hundert Watt durchaus aus. Hierzu trägt bei, daß die beim Bearbeiten des Werkstücks anfallenden Späne in dem Abtragauffanggehäuse 5 ihre natürliche Bewegungsrichtung weitgehend beibehalten und keine Beschleunigung der Späne aus einer Ruhelage notwendig ist. Außerdem ist von Bedeutung, daß die Späne nahezu immer von der Innenoberfläche 10 des Abtragauffanggehäuses 5 geführt werden, so daß die Absaugapparatur nur in sehr geringem Umfang der auf die Späne einwirkenden Schwerkraft entgegenzuwirken hat. Die Absaugleitung 17 ragt mit ihrer Öffnung 18 in das Abtragauffanggehäuse 5 herein um die Saugleistung der hier nicht dargestellten Saugapparatur möglichst effektiv zur Aufrechterhaltung der Wirbelströmung zu nutzen. Außerdem wird damit der Eintritt von mit der Wirbelströmung umlaufenden Spänen in die Öffnung 18 der Absaugleitung 17 erleichtert.

In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung 1 dargestellt. Im folgenden sei nur auf die Merkmale eingegangen, in denen sich diese Vorrichtung 1 von der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 unterscheidet. Hier geht die Innenoberfläche 10 des Abtragauffanggehäuses 5 oberhalb des Innenkonus 12 zuerst in eine Rundung 26 und dann in einen Auslauf 27 über. Die Innenoberfläche im Bereich des Auslaufs 27 liegt der Innenoberfläche im Bereich des Innenkonus 12 parallel gegenüber. Auch durch diese Formgebung der Innenoberfläche 10 wird verhindert, daß von dem Werkzeug 7 abgetragene Späne auf das Sichtfenster 19 prallen und dieses mattieren. Im Bereich der zentralen Öffnung 21 ist eine das Werkzeug 7 seitlich mit Kühlmedium beaufschlagende Zuführleitung 28 vorgesehen. Als Kühlmedium kann hierbei mit Öl und/oder Alkoholen versetzte Druckluft verwendet werden. Die Anordnung der Zuführleitung 28 ist so vorgesehen, daß die Beaufschlagung des Werkzeugs 7 mit Kühlmedium tangential in dessen Drehrichtung erfolgt. An der der Oberfläche 11 des Werkstücks 2 zugewandten Außenseite des Abtragauffanggehäuses 5 ist eine die zentrale Öffnung 21 ringförmig umgebende Ausnehmung 29 angeordnet. Die ringförmige Ausnehmung 29 weist eine äußere Begrenzung 30 auf, die sich auf demselben Höhenniveau oberhalb der Oberfläche 11 des Werkstücks 2 wie die Öffnung 21 befindet. Das von dem Werkzeug 7 gestreute Kühlmedium bildet unterhalb der Ausnehmung 29 ein Druckkissen 31, welches sich an dem Abtragauffanggehäuse 5 einerseits und der Oberfläche 11 des Werkstücks 2 andererseits abstützt. Das Druckkissen 31 erlaubt einerseits die einfache Einstellung eines gewünscht geringen Abstands zwischen der Unterseite des Abtragauffanggehäuses 5 und der Oberfläche 11 des Werkstücks 2 und andererseits das gefahrlose Freifräsen kleinflächiger Abschnitte 32 des Werkstücks 2. Das Druckkissen 31 drückt die kleinflächigen Abschnitte 32 gegen eine für das Werkstück 2 vorgesehene Unterlage 33. Hierdurch behalten die Abschnitte 32 ihre ursprüngliche Lage bei und behindern in keiner Weise die weitere Bearbeitung des Werkstücks oder die Bearbeitung der Abschnitte 32 selbst.

In Fig. 4 ist durch Pfeile 34 der Strömungsverlauf angedeutet, der auftritt, wenn der Schaft 3 mit der Spindel 4 und dem daran befestigten Spannfutter 6 samt Werkzeug 7 aus der Durchtrittsöffnung 10 in dem Sichtfenster 19 herausbewegt wird. Der sich erweiternde freie Querschnitt der Durchtrittsöffnung 20 führt dazu, daß die von der Absaugapparatur angesaugte Luft nahezu vollständig einen Weg entlang der Pfeile 34 nimmt. Hierbei streicht sie an dem Schacht 3, der Spindel 4, dem Spannfutter 6 und dem Werkzeug 7 entlang. Dies ist mit einer weitgehenden Reinigung der oben aufgelisteten Bestandteile der Vorrichtung von anhaftenden Spänen verbunden. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Vorrichtung ausschließlich als Ganzes in der z-Richtung, die der Richtung der Spindelachse 8 entspricht, zu verfahren. Ein Wechsel des Werkzeugs erfolgt häufig sogar innerhalb des Abtragauffanggehäuses. Bei der neuen Vorrichtung macht das Abtragauffanggehäuse 5 hingegen nur die Bewegungen des Schaftes 3 in x- bzw. y-Richtung mit. Für eine Bewegung in Richtung der Spindelachse 8 ist das Abtragauffanggehäuse 5 nicht vorgesehen. In der z-Richtung wird das Abtragauffanggehäuse 5 einmal gegenüber dem zu bearbeitenden Werkstück 2 justiert. Anschließende Wechsel des Werkzeugs 7 zum Beispiel erfolgen dann nach Herausfahren des Schaftes 3 samt Spindel 4 und Spannfutter 6 durch die Durchtrittsöffnung 20 aus dem Abtragauffanggehäuse 5. Auf diese Weise kann eine Verschmutzung der Werkzeugwechseleinrichtung durch anfallende Späne weitgehend vermieden werden.

Bezugszeichenliste:

1 Vorrichtung
2 Werkstück
3 Schaft
4 Spindel
5 Abtragauffanggehäuse
6 Spannfutter
7 Werkzeug
8 Spindelachse
9 Klemmbacke
10 Innenoberfläche
11 Oberfläche
12 Innenkonus
13 Öffnungswinkel
14 Übergangsbereich
15 Prallfläche
16 Neigungswinkel
17 Absaugleitung
18 Öffnung
19 Sichtfenster
20 Durchtrittsöffnung
21 zentrale Öffnung
22 Innendurchmesser
23 Außendurchmesser
24 Drehpfeil
25 Pfeil
26 Rundung
27 Auslauf
28 Zuführleitung
29 Ausnehmung
30 Begrenzung
31 Druckkissen
32 Abschnitt
33 Unterlage
34 Pfeil
35 Innenhöhe

Claims

1. Vorrichtung zur materialabtragenden Bearbeitung eines eine ebene Oberfläche aufweisenden Werkstücks mit einem Werkzeugkopf und mit einem eine rotationssymmetrisch um den Werkzeugkopf angeordnete Innenoberfläche aufweisenden Abtragauffanggehäuse, wobei die Innenoberfläche des Abtragauffanggehäuses einen bis auf eine zentrale Öffnung an der der Oberfläche des Werkstücks zugewandten Unterseite des Abtragauffanggehäuses geschlossenen Innenkonus ausbildet und wobei eine mit einer Absaugapparatur verbundene Absaugleitung in das Abtragauffanggehäuse einmündet, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkonus (12) einen Öffnungswinkel (13) zwischen 120 und 175° aufweist und daß die Absaugleitung (17) tangential in das Abtragauffanggehäuse (5) einmündet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugkopf eine in einem Schaft (3) gelagerte, rotierende Spindel (4) aufweist, die in einem Spannfutter ein zerspanendes Werkzeug (7) trägt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugkopf (3, 4, 6, 7) einen auf die Oberfläche des Werkstücks fokussierten Laser als Werkzeug aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel (13) des Innenkonus (12) etwa 155° beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenoberfläche (10) des Abtragauffanggehäuses (5) oberhalb des Innenkonus (12) in eine umlaufende Prallfläche (15) übergeht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallfläche (15) gegenüber der Mantellinie des Innenkonus (12) einen Neigungswinkel (16) kleiner als 90° aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenoberfläche (10) des Abtragauffanggehäuses (5) oberhalb des Innenkonus (12) gekrümmt ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (18) der Absaugleitung (17) im oberen Bereich des Innenkonus (12) beginnend vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugleitung (17) in das Abtragauffanggehäuse (5) hineinragt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Innendurchmesser (22) des Abtragauffanggehäuses (5) mindestens doppelt so groß ist wie seine maximale Innenhöhe (35).

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtragauffanggehäuse (5) an seiner Oberseite ein Sichtfenster (19) aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen des Abtragauffanggehäuses (5) metallisch leitend und geerdet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugkopf in Richtung senkrecht zur Oberfläche (11) des Werkstücks (2) unabhängig von dem Abtragauffanggehäuse (5) verfahrbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Werkzeug (7) im Bereich der zentralen Öffnung (21) seitlich mit Kühlmedium beaufschlagenden Zuführleitung (28) vorgesehen ist und daß an der Außenseite des Abtragauffanggehäuses (5) eine die zentrale Öffnung (21) ringförmig umgebende Ausnehmung (29) angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitung (28) tangential in die zentrale Öffnung (21) einmündet.